QUALIDADE DA ÁGUA EM LAGOS. Comportamento e Impactos

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1 QUALIDADE DA ÁGUA EM LAGOS Comportamento e Impactos

2 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES 1. Profundidade Média parâmetro morfométrico de grande importância, principalmente em lagos grandes interfere na produtividade biológica e na circulação da água 2. Curvas Típicas COTA x VOLUME ÁREA x VOLUME indica volume abaixo da zona de luz indica área superficial para trocas atmosféricas

3 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES 3. Tempo de Residência muito importante para qualidade da água menores tempos, maior frequência na troca de água t r = volume total vazão de saída

4 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES 4. Penetração de Luz extinção exponencial Disco Secchi mede a transparência 0.5% a 1% da luz restante, limite da ZONA EUFÓTICA (aproximadamente 2 a 3 vezes a profundidade Secchi) A atenuação da radiação é o principal fator de controle da temperatura e da taxa de fotossintese

5 DISCO SECCHI

6 EXTINÇÃO DA LUZ

7 LAGO Profundidade Secchi Zona Eufótica Estado Trófico Lake Tahoe Oligotrófico Lake Superior Oligotrófico St. Louis Riv Sedimento Ice Lake, MN Mesotrófico Halsted Bay, MN 0,5 <2 Eutrófico

8 CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES 5. Padrões de Circulação devido a ventos ondas seiches (ondas estacionárias) correntes devido a correntes de densidade diferentes densidades devido à temperatura ou salinidade» 10 mg/l sal equivale à variação de temperatura entre 4 e 5 o C

9 Ondas

10 Seiches

11 Correntes

12 Estratificação de densidades Pode ser térmica ou salina A estratificação provoca estabilidade Estabilidade significa menos turbulência, menos mistura São vários os impactos sobre a qualidade da água; é o principal fator de interferência na qualidade da água em lagos A estratificação térmica foi observada pela primeira vez em 1880 em lagos suíços

13 Curva de Densidade da Água Densidade (g/m 3 ) C! Temperatura ( 0 C)

14 Estratificação Térmica superfície epilímnio metalimnio hipolímnio

15 Estratificação Térmica epilímnio metalimnio hipolimnio termoclina Numa situação sem turbulência, o perfil de temperatura seria igual ao da curva exponencial de extinção da luz

16 Camadas da Estratificação EPILIMNIO quente, menos denso, turbulento HIPOLIMNIO frio, mais denso, menos turbulento METALIMNIO forte variação de temperatura contém o TERMOCLINA: plano definido pelo maior gradiente de temperatura; no perfil de Oxigênio, chama-se OXICLINA

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19 Estratificação Térmica Posicionamento das tomadas d agua Operação de tomadas em torre Impactos a jusante Prever impacto já durante a fase de projeto básico para prevenir danos

20 Mistura em Lagos Lagos podem ser classificados segundo o número de vezes que misturam: Monomíticos: misturam 1 vez Dimíticos: misturam 2 vezes Polimíticos: misturam várias vezes Meromíticos: raramente misturam até o fundo Em regiões sub-tropicais os lagos são monomíticos ou polimíticos, dependendo do tempo de residência Lagos meromíticos estão usualmente associados a outras formas de estratificação como a estratificação por salinidade

21 Ocorrência da estratificação térmica em reservatórios brasileiros Barragem T r (dias) Prof. (m) Tipo de Mistura Diferença de temp. Tucuruí Monom. 2 0 C Três Marias Monom. 4 0 C Paraibuna, SP Monom. 5 0 C Americana Polim. 5 0 C Jaguari - Jacareí Monom. 7 0 C

22 Mistura em Lagos Em lagos tropicais a estratificação costuma ser bastante estável: os dois perfis têm a mesma diferença de densidade, ou peso Perfis de Estratificação Profundidade (m) Temperatura (C)

23 Mistura em Lagos É preciso adicionar energia para provocar a mistura O centro de massa precisa ser erguido TRABALHO

24 Mistura em Lagos Difusão molecular Difusão turbulenta Dispersão Advecção Convecção: induzida pela diferença de densidade PARA OCORRER A MISTURA É PRECISO TER APORTE DE ENERGIA: TRABALHO

25 Fontes de Energia para Mistura Trocas atmosféricas: transferência de calor pela interface ar-água Ventos: introdução de turbulência Vazão entrada/saída: mistura advectiva

26 TROCAS ATMOSFÉRICAS H sn = radiação solar H at =radiação da atmosfera H w = radiação emitida pelo corpo d água H e = calor perdido na evaporação H c = trocas convectivas H snr = reflexão da radiação solar H atr =reflexão da radiação da atmosfera TAXA LÍQUIDA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA H= (H sn + H at Hsnr Hatr) (H w + H e ±H c ) depende de cond. meteorol. depende da temp.da água

27 VENTOS É, freqüentemente, a principal fonte de energia para mistura As ondas na superfície e a respectiva turbulência misturam o epilimnio O seiche pode inclinar tanto o termoclina que o hipolimnio se mistura com o epilimnio superfície termoclina

28 VAZÕES AFLUENTES Usualmente apresentam densidade diferente da água armazenada Movem-se entre as camadas na forma de corrente de densidade São importantes fontes de energia Usualmente são a principal fonte de energia em lagos tropicais

29 PONTO DE ENTRADA ou PONTO DE MERGULHO <D Q RESERVATÓRIO =D >D

30 VAZÕES DE SAÍDA Provocam turbulência Transformam energia cinética em potencial A zona afetada depende da estabilidade da estratificação, da vazão, da geometria do lago

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32 Estabilidade da Estratificação Térmica Pode-se avaliar a estabilidade da estratificação através de: Tempo de residência t r < 1 mês fraca e instável t r > 6 meses bem definida e estável

33 Estabilidade da Estratificação Térmica Número de Froude densimétrico Forças de flutuação Forças gravimétricas ρ LQ F = 0 D z V g << 0.3 estratificado 0.1 < F D < 1.0 fraca > 1.0 misturado β L= comprimento do reservatório Q= vazão média de saída z = profundidade média V = volume do reservatório D 0 = densidade da água (1 g/cm 3 ) g = aceleração da gravidade $ = )D / z = gradiente médio de densidade

34 Estabilidade da Estratificação Outros adimensionais Número de Richardson Forças de Flutuação Forças de Atrito ( shear ) R i = g ρ u z ρ z 2 Variação da densidade Variação da velocidade R i estável R i < 0.25 instável

35 Algumas generalizações para região subtropical... Reservatórios profundos com mais de 6 meses de períodos de residência: Circulação comandada por fatores meteorológicos Estratificação estável Reservatórios com menos de 20 dias de período de residência Circulação comandada por fatores advectivos Estratificação intermitente

36 Possíveis soluções para problemas de qualidade da água decorrentes da estratificação térmica 1. Tomada d água em torre Possibilitam operação seletiva Melhoram condições internas facilitando a mistura

37 Possíveis soluções para problemas de qualidade da água decorrentes da estratificação térmica 2. Aeração do hipolimnio Grandes quantidades de ar injetadas Entrada de O 2 Turbulência

38 Possíveis soluções para problemas de qualidade da água decorrentes da estratificação térmica 3. Circulação artificial Coloca-se a água do hipolímnio em contato com a atmosfera, ou mistura-se com o epilímnio

39 Estratificação Salina ORIGEM Geoquímica da bacia; litologia Precipitação atmosférica Aerossóis Proximidade do oceano Ventos predominantea PROBLEMAS Estratificação estável Anoxia do fundo Prejuízos aos usos Abastecimento público Dessedentação de animais irrigação

40 <T, <S +pesado >T, >S +leve

41 EUTROFIZAÇÃO

42 Estado Trófico dos Lagos Oligotróficos Baixa produtividade biológica Alta transparência Baixa concentração de nutrientes Mesotróficos Situação de transição Eutróficos Alta produtividade biológica Baixa transparência Alta concentração de nutrientes

43 LAGOS EUTRÓFICOS

44 EUTROFIZAÇÃO crescimento excessivo de plantas aquáticas devido à presença de concentrações excessivas de nutrientes Fitoplâncton (algas livres ) Perifíton: é uma fina camada (biofilme) variando em alguns milímetros, que atua na interface entre o substrato e a água circundante. São observados como manchas verdes ou pardas aderidos a objetos submersos na água como rochas, troncos, objetos artificiais (inertes) e a vegetação aquática Macrófitas: com raízes ou flutuantes

45 MACRÓFITAS

46 Elementos que provocam a Eutrofização Principais Nutrientes: Fosfatos Nitratos Fontes Cargas Orgânicas (esgotos, detergentes etc) e Fertilizantes

47 Eutrofização :Processo Natural ou Acelerado

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49 Eutrofização Contribuição da agricultura ou cargas orgânicas Floração de algas Bloqueia a ação do sol Plantas submersas morrem Bacteria usa o oxigênio para decomposição Peixes e outros organismos morrem

50 Cargas Orgânicas

51 Escoamento de áreas rurais e urbanas

52 Floração de Algas

53 Diminui a transparência

54 Peixes morrem

55 EUTROFIZAÇÃO Depende: da localização geográfica da penetração de radiação solar da magnitude e tipo de aporte de nutrientes dos processos de transporte dos nutrientes FUNÇÃO DE FORÇA RADIAÇÃO SOLAR

56 Eutrofização As principais variáveis para avaliação do processo são: Radiação solar na superfície e sua penetração na água Geometria do corpo d água: área superficial, profundidade, volume Vazão, velocidade, tempo de residência Temperatura da água Perfil de oxigênio dissolvido Nutrientes: fósforo, nitrogênio, sílica Fitoplâncton/ clorofila-a (é o principal pigmento)

57 NUTRIENTES: N e P Fósforo pode ser encontrado como: Fósforo solúvel ( ou ortofosfato) PO 4 -- (diretamente utilizável) Fósforo orgânico particulado (fósforo ainda na cadeia orgânica) Fósforo orgânico dissolvido (fósforo em compostos orgânicos dissolvidos ou coloidal) Fósforo inorgânico particulado (fósforo em minerais ou rochas ou adsorvido) Fósforo inorgânico não particulado (fósforo em cadeias inorgânicas) Usualmente medido como Fósforo Total (P) ou Fósforo na forma de Fosfato (P-PO 4 )

58 Nutrientes: N e P O nitrogênio pode ser encontrado como: Nitrogênio livre: N 2 Amônia: Ion NH 4 + NH 3 Nitrito: NO 2 - Nitrato NO 3 - Nitrogênio orgânico Nitrogênio Kjeldahl: amônia + nitrogênio orgânico Usualmente medido como nitrogênio total (N), nitorgênio como nitrito ou nitrato (N-NO x ), ou Kjeldahl

59 Relação N/P Nutriente limitante: é aquele que acaba primeiro Quem é o limitante? Usualmente é o fósforo Depende da relação N/P inicial Depende do tipo de planta aquática

60 Relação N/P Limites usuais N/P >>10 limitado por fósforo N/P << 10 limitado por nitrogênio CUIDADO, CUIDADO, CUIDADO!!! Quando ocorre a limitação por fósforo o processo de eutrofização estabiliza Quando ocorre a limitação por nitrogênio, o crescimento das algas prossegue com aquelas que conseguem usar N 2 Para N/P <4 estimula-se o crescimento das algas azuis, ou cianofíceas, que são tóxicas Alguns limnologistas consideram que apenas o fósforo é limitante; o nitrogênio apenas comanda o tipo de alga que se desenvolve A relação N/P é importante para determinar as medidas de controle

61 Relação N/P FONTE Esgoto bruto Lodos ativados sem remoção de fósforo Lodos ativados com remoção de fósforo Carga difusa de áreas agrícolas N/P

62 Variáveis de controle Transparência Concentração vertical de OD

63 Variáveis de controle Concentração de fósforo para lagos temperados <10 :g/l oligotrófico <20 e >10 :g/l mesotrófico >20 :g/l eutrófico Os valores para lagos tropicais são maiores (CEPIS, 1990) 20 :g/l para oligotróficos 40 :g/l para mesotróficos 110 :g/l para eutróficos Biomassa: quantidade, medido por clorofila-a Cl-a < 4 :g/l - oligotrófico Cl-a > 10 :g/l - eutrófico Similar para lagos tropicais e temperados

64 Avaliação do Estado Trófico Estudo clássico: Vollenweider, 1970 Lagos temperados Lagos tropicais: Fonte: CEPIS, 1990 P CEPIS, 1990 L = ρ Z 3/ 4 T r 3 P = concentração de fósforo no lago L D = aporte de fósforo ao lago Z = prof. Média T r = tempo de residência

65 USOS PREJUDICADOS Abastecimento público Recreação Lazer Harmonia paisagística

66 Controle Impedir o aporte de nutrientes: Tratamento químico (ou terciário) das cargas orgânicas Proteção das margens etc Minimizar áreas já degradadas Precipitação e inativação do fósforo Oxigenação da coluna d agua Dragagem do lodo do fundo (ruim) Manipulação da cadeia alimentar (Paranoá) Considerar toda a bacia!

67 Exemplos: Lago Paranoá cidade situa-se a montante do lago tempo de residência = 300 dias barragem sem descarregador de fundo, tomadas altas Soluções temporárias Algicidas Retirada de macrófitas Soluções definitivas Tratamento de esgotos com retirada de nutrientes Ainda falta controle de carga difusa Utilizam também biomanipulação da cadeia alimentar